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　　什么是Si IGBT和SiC MOSFET?

　　Si IGBT是硅絕緣柵雙極晶體管的簡寫。SiC MOSFET是碳化硅金屬氧化物半導體場效應晶體管的簡稱。

　　Si IGBT是電流控制器件，由施加到晶體管柵極端子的電流來切換，而MOSFET則由施加到柵極端子的電壓進行電壓控制。

　　Si IGBT和SiC MOSFET之間的主要區(qū)別在于它們可以處理的電流類型。一般來說，MOSFET適用于高頻開關應用，而IGBT更適合高功率應用。

　　為什么硅IGBT和碳化硅MOSFET在電機驅(qū)動應用中至關重要

　　電動機在現(xiàn)代技術中無處不在，通常依靠電池系統(tǒng)作為動力源。例如，電動汽車利用大型電池陣列系統(tǒng)為車輛提供直流電源，從而通過交流電動機產(chǎn)生物理運動。對這些交流電機的絕對控制對于車輛的性能和效率以及車內(nèi)人員的安全至關重要。然而，這種動力總成系統(tǒng)依靠逆變器將來自電池的直流電轉(zhuǎn)換為交流信號，電機可以使用該信號來產(chǎn)生運動。

　　這些逆變器可精確控制電機的速度、扭矩、功率和效率，并實現(xiàn)再生制動功能。歸根結(jié)底，逆變器對動力總成系統(tǒng)的價值與電機一樣重要。與電源應用中的所有設備一樣，逆變器在功能和設計要求方面可能會有很大差異，并且對于直流電源到交流電機系統(tǒng)的整體系統(tǒng)性能至關重要。

　　現(xiàn)代直流到交流電機驅(qū)動應用使用兩種類型的逆變器：硅IGBT和碳化硅MOSFET。從歷史上看，Si IGBT是最常見的，但SiC MOSFET因其各種性能優(yōu)勢和不斷降低成本而成倍受歡迎。當SiC MOSFET首次進入市場時，它們對于大多數(shù)電機驅(qū)動應用來說成本過高。然而，隨著這種卓越技術的采用增加，規(guī)模化制造大大降低了SiC MOSFET的成本。

　　Si IGBT與SiC MOSFET的優(yōu)缺點

　　Si IGBT具有高電流處理能力、快速開關速度和低成本等特點，一直被用于直流到交流電機驅(qū)動應用。最重要的是，Si IGBT具有高額定電壓、低壓降、低電導損耗和熱阻，使其成為制造系統(tǒng)等大功率電機驅(qū)動應用的不二之選。 然而，Si IGBT的一個相當大的缺點是它們極易受到熱失控的影響。當設備溫度不受控制地上升時，就會發(fā)生熱失控，導致設備發(fā)生故障并最終失效。在高電流、高電壓和高工作條件常見的電機驅(qū)動應用中，例如電動汽車或制造業(yè)，熱失控可能是一個重大的設計風險。

　　作為應對這一設計挑戰(zhàn)的解決方案，SiC MOSFET具有更強的抗熱失控能力。碳化硅的導熱性更強，可實現(xiàn)更好的器件級散熱和穩(wěn)定的工作溫度。SiC MOSFET更適合汽車和工業(yè)應用等較溫暖的環(huán)境條件空間。此外，鑒于其導熱性，SiC MOSFET可以消除對額外冷卻系統(tǒng)的需求，從而可能減小整體系統(tǒng)尺寸并可能降低系統(tǒng)成本。

　　由于SiC MOSFET的工作開關頻率比Si IGBT高得多，因此非常適合需要精確電機控制的應用。在自動化制造中，高開關頻率至關重要，其中高精度伺服電機用于工具臂控制、精密焊接和精確的物體放置。

　　此外，與Si IGBT電機驅(qū)動器系統(tǒng)相比，SiC MOSFET的一個顯著優(yōu)勢是它們能夠嵌入到電機組件中，電機控制器和逆變器嵌入與電機相同的外殼中。

　　通過將電機驅(qū)動器組件移動到電機的本地位置，可以大大減少驅(qū)動逆變器和電機驅(qū)動器之間的布線，從而節(jié)省大量成本。在圖 B 的示例中，傳統(tǒng)的 Si IGBT 電源柜可能需要 21 根獨特的電纜來為機械臂的 <> 個電機(標記為“M”)供電，這可能相當于數(shù)百米昂貴且復雜的布線基礎設施。使用SiC MOSFET電機驅(qū)動系統(tǒng)，電纜數(shù)量可以減少到兩根長電纜，連接到本地電機組件內(nèi)的每個電機驅(qū)動器.

　　圖2：機械臂的硅IGBT與碳化硅MOSFET系統(tǒng)控制比較

　　SiC MOSFETS與Si IGBT的缺點

　　然而，與Si IGBT相比，SiC MOSFET也有缺點。首先，SiC MOSFET仍然比Si IGBT更昂貴，因此可能不太適合對成本敏感的應用。雖然SiC MOSFET本身更昂貴，但與Si IGBT系統(tǒng)相比，某些應用可能會降低整個電機驅(qū)動器系統(tǒng)的價格(通過減少布線、無源元件、熱管理等)，并且總體上可能更便宜。這種成本節(jié)約可能需要在兩個應用系統(tǒng)之間進行復雜的設計和成本研究分析，但可以提高效率并節(jié)省成本。

　　SiC MOSFET的另一個缺點是，它們可能具有更復雜的柵極驅(qū)動要求，這可能使它們在系統(tǒng)中其他組件可能限制柵極驅(qū)動資源的應用中不如IGBT理想。

　　采用碳化硅MOSFET的改進逆變器技術

　　碳化硅MOSFET極大地改進了電機驅(qū)動系統(tǒng)的逆變器技術。與所有類型的組件一樣，在某些特定應用中，IGBT可能仍然更適合。然而，與Si IGBT相比，SiC MOSFET逆變器具有幾個明顯的優(yōu)勢，使其成為電機驅(qū)動應用和各種其他應用非常有吸引力的解決方案。

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